Studio di un sistema di comunicazione ad alimentazione risonante wireless.

L'elaborato tratta della progettazione di un sistema di alimentazione wireless risonante per i nodi sensori, strumenti fondamentali per il controllo delle strutture(Structural Health Monitoring). Esso si concentra sulla realizzazione di un convertitore flyback risonante (con circuito di snubber incluso per il main switch) in grado di fornire una tensione di 5 Volt in uscita a fronte di una corrente media massima sul carico di 800mA data una tensione di 12 volt in ingresso. Dopo aver introdotto il concetto di Wireless Power Transfer (WPT) e i principi fisici su cui esso poggia (induzione elettromagnetica e risonanza elettromagnetica), si presentano i modelli circuitali più utilizzati in questo ambito. Una volta illustrate le conoscenze allo stato dell'arte dell'accoppiamento induttivo risonante, si analizza il comportamento del modello scelto, al fine di evidenziare i vantaggi dell'utilizzo del circuito alla frequenza di risonanza. Sono state effettuate simulazioni con il simulatore LTspice come controprova. Si passa quindi a dimensionare i vari elementi del circuito a fronte delle specifiche stabilite. Grazie ai risultati ottenuti, si procede alla stesura del Bill Of Materials. La tesi si conclude presentando i possibili campi di ricerca e sviluppo del sistema di alimentazione.

Electrically tunable piezoelectric bimorph cantilever for energy harvesting

Con la presente tesi viene esaminato un metodo per modificare la frequenza di risonanza di trasduttori piezoelettrici mediante applicazione di carichi elettrici esterni. L'elaborato inizia con la presentazione dei cristalli utilizzati nel lavoro di tesi, concentrandosi sul processo di fabbricazione di un bimorph cantilever impiegato come convertitore elettromeccanico di energia, la cui frequenza di risonanza è modellizzata analiticamente mediante la legge di Newton e il modello di Euler-Bernoulli. Su tale struttura vengono condotte misure mediante shaker elettrodinamico e analizzatore d'impedenza, ai fini di giusticare il modello analitico presentato. Con lo scopo di sincronizzare la frequenza di risonanza del cantilever con la vibrazione dell'ambiente per massimizzare la potenza disponibile, viene proposto un algoritmo MPPT secondo l'approccio Perturba e Osserva (P&O), al quale è fornita in ingresso la tensione efficace di un layer di materiale piezoelettrico. Valutare la sua risposta in tensione, presenta dei limiti applicativi che hanno portato a prendere in considerazione un approccio totalmente diff�erente, basato sullo sfasamento tra la tensione di un trasduttore piezoelettrico e il segnale di accelerazione impiegato come eccitazione. Misure sperimentali sono state condotte con l'obiettivo di validare l'efficacia di quest'ultimo approccio qualora si voglia sincronizzare la frequenza di risonanza dei piezo con segnali di vibrazione reali.

Misura di risposta impulsiva mediante sequenze casuali per comunicazioni Power-Line

Nell’ambito delle telecomunicazioni risulta di notevole rilievo la tecnologia ad onde convogliate, definita Power-Line Communication (PLC), che permette la trasmissione di dati sfruttando la rete elettrica come mezzo di trasmissione. Essa rappresenta una delle tecnologie promettenti per quanto concerne la fornitura di servizi come l’accesso ad Internet, alla rete telefonica e al telecontrollo di apparecchi sempre più sofisticati. Al fine di rendere possibile sia la trasmissione di potenza (alla frequenza di 50 Hz per l’Italia) che di altri segnali dati (su bande a frequenza maggiore) saranno necessarie tecniche di modulazione avanzata, che però non rappresentano un argomento trattato a fondo in questa tesi. Lo sviluppo tecnologico degli ultimi anni ha permesso una notevole diffusione delle PLC soprattutto in applicazioni domestiche, grazie ai prezzi molto contenuti in parallelo alle ottime prestazioni, soprattutto nell’automazione. Obbiettivo dell’elaborato risulta la rilevazione della risposta impulsiva in ambienti Power-Line di tipo Narrowband (a banda stretta), immettendo in rete sequenze di tipo casuale o pseudo-casuale, queste ultime definite Pseudo-Noise (PN); esse infatti hanno particolari proprietà che renderanno possibile il raggiungimento dello scopo prefissato. Lo strumento fondamentale per le misurazioni sul campo effettuate risulta l’Analog Discovery (Digilent ne è il produttore), utilizzato non solo come generatore di forme d’onda in ingresso ma anche come oscilloscopio per l’analisi del segnale ricevuto.

Impianti di depurazione delle acque: SBR

In questo elaborato è stato discusso il tema della depurazione delle acque reflue, in particolar modo il sistema SBR. L'SBR (Sequencing Batch Reactors) è un sistema di impianti di depurazione composto da una vasca di raccolta del liquame e una o più vasche in parallelo, i reattori, che consistono nel vero e proprio cure dell'impianto. Di fatto le fasi del processo depurativo restano immutate rispetto ad un impianto tradizionale, ma l'SBR introduce come nuovo parametro dimensionale il tempo. infatti, tutti i trattamenti depurativi sono svolti sequenzialmente nel reattore. Un programma gestisce le varie fasi del trattamento esclusivamente sulla base della loro durata (stabilita relativamente alla natura del refluo e quindi ai trattamenti da svolgere in maniera più o meno intensiva). Questa caratteristica rende l'intero impianto molto versatile nel caso di variazioni dei dati in ingresso. Per questo motivo gli impianti SBR sono ottimi per la piccola media impresa, in quanto sono facilmente adattabili alle variazioni stagionali di produzione. Sono inoltre possibili realizzazioni di impianti per il trattamento di ingenti portate, o elevate concentrazioni, ponendo più reattori in parallelo alimentati dalle stessa vasca di accumulo. In questo modo è possibile svolgere un maggiore numero di cicli depurativi al giorno e quindi rispettare i valori normativi in uscita dell'impianto. In conclusione questa tipologia d'impianto presenta notevoli vantaggi fra i quali anche quello di avere bassi costi operativi. La motivazione di ciò sta nel fatto che l'impianto lavora solo se ha effettivamente una portata, per cui se non vi è presenza di refluo il reattore non lavora e quindi non comporta costi.

Elaborazione di un modello di simulazione per una rete di trasporto multi-modale

Questo lavoro di tesi si prefigge l’obiettivo di simulare il trasporto di organi destinati a trapianto sul territorio nazionale italiano. Lo scopo della simulazione è mettere in luce le criticità e le eventuali soluzioni alternative in modo da raggiungere un duplice obiettivo: la certezza di portare a compimento il trasporto da un ospedale ad un altro entro i tempi clinici necessari affinché l’organo sia ancora utilizzabile e la riduzione dei costi del trasporto, che negli ultimi anni si sono rivelati elevati a causa del ricorso frequente a voli di Stato. Nella prima parte del lavoro viene delineato il problema e le necessità di ottimizzazione della rete, dopodiché si illustra il modello creato per simulare la situazione di as-is ed infine si espone il modello da utilizzare in futuro, dove si prevedono i tempi futuri di percorrenza. Per la modellazione della situazione attuale sono stati utilizzati due livelli di dettaglio diversi, uno che si basa sulla suddivisione dei trapianti in ingresso e uscita da una regione specifica e uno che approfondisce ulteriormente la rete modellando gli spostamenti di città in città. I modelli predittivi presentati sono due, uno che considera tempi predittivi deterministici e uno che considera tempi stocastici. Dopo ciascuna modellazione vengono esposti i risultati e le statistiche più significative; vengono infine messi in evidenza gli aspetti critici e gli sviluppi futuri della simulazione. Il software scelto per creare e simulare il trasporto degli organi sulla rete è Arena.

Machine learning per l'idrologia: applicazione del metodo random forests per la previsione degli eventi di piena fluviale con un approccio probabilistico

Le tecniche di Machine Learning sono molto utili in quanto consento di massimizzare l’utilizzo delle informazioni in tempo reale. Il metodo Random Forests può essere annoverato tra le tecniche di Machine Learning più recenti e performanti. Sfruttando le caratteristiche e le potenzialità di questo metodo, la presente tesi di dottorato affronta due casi di studio differenti; grazie ai quali è stato possibile elaborare due differenti modelli previsionali. Il primo caso di studio si è incentrato sui principali fiumi della regione Emilia-Romagna, caratterizzati da tempi di risposta molto brevi. La scelta di questi fiumi non è stata casuale: negli ultimi anni, infatti, in detti bacini si sono verificati diversi eventi di piena, in gran parte di tipo “flash flood”. Il secondo caso di studio riguarda le sezioni principali del fiume Po, dove il tempo di propagazione dell’onda di piena è maggiore rispetto ai corsi d’acqua del primo caso di studio analizzato. Partendo da una grande quantità di dati, il primo passo è stato selezionare e definire i dati in ingresso in funzione degli obiettivi da raggiungere, per entrambi i casi studio. Per l’elaborazione del modello relativo ai fiumi dell’Emilia-Romagna, sono stati presi in considerazione esclusivamente i dati osservati; a differenza del bacino del fiume Po in cui ai dati osservati sono stati affiancati anche i dati di previsione provenienti dalla catena modellistica Mike11 NAM/HD. Sfruttando una delle principali caratteristiche del metodo Random Forests, è stata stimata una probabilità di accadimento: questo aspetto è fondamentale sia nella fase tecnica che in fase decisionale per qualsiasi attività di intervento di protezione civile. L'elaborazione dei dati e i dati sviluppati sono stati effettuati in ambiente R. Al termine della fase di validazione, gli incoraggianti risultati ottenuti hanno permesso di inserire il modello sviluppato nel primo caso studio all’interno dell’architettura operativa di FEWS.

Valutazione delle potenzialità dell'iniezione d'acqua nei motori GDI di ultima generazione

L'industria automobilistica sta assistendo ad un importante cambiamento verso motorizzazioni con cilindrata unitaria minore, turbocompressi, e con iniezione diretta in camera, a causa delle normative sempre più stringenti sull'emissione di inquinanti allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. I motori turbocompressi lavorano con una pressione media effettiva maggiore, con conseguenti maggiori pressioni e temperature in camera, che di fatto aumentano il rischio di insorgenza di eventi di combustione anomale come pre-accensione e detonazione. Questo porta ad utilizzare il motore con angoli sub-ottimali di anticipo di accensione e con arricchimento della miscela per diminuire le temperature dei gas in ingresso alla turbina. Queste strategie non sono più compatibili con le nuove regolamentazioni, in quanto superano i limiti imposti di emissioni e consumo specifico in cicli reali di utilizzo su strada. Tra le varie possibili soluzioni, l'iniezione d'acqua è una tecnologia già conosciuta, che permette un controllo della tendenza alla detonazione. Il principio consiste nella riduzione della temperatura della carica grazie all'elevato calore latente di vaporizzazione della massa d'acqua iniettata. In questo lavoro sono stati valutati entrambi i layout di iniezione d'acqua, nel condotto e in camera di combustione, in due punti motore: massima potenza e massima coppia. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'utilizzo di simulazioni tridimensionali CFD a partire da una metodologia basata su modelli fisici solidamente validati. Il software commerciale utilizzato è stato AVL FIRE, che permette di manipolare in modo agevole i risultati sia al suo interno, sia tramite ambienti di calcolo esterno.

Valorizzazione di acque reflue mediante recupero di ammonio per adsorbimento

Lo studio rappresenta uno screening primario di vari adsorbenti riguardo la loro capacità di rimuovere e recuperare l'ammonio dalle acque reflue urbane in base alla capacità e alla selettività. Sono state analizzate le prestazioni di diverse resine polimeriche e zeoliti e l'effetto di variabili come la temperatura, il pH, la concentrazione del mezzo adsorbente e la concentrazione iniziale di ammonio sull'efficienza di rimozione dell‘ammonio da acque sintetiche e da acque reflue urbane. Si tratta di uno dei primi tentativi di collocare un processo basato sull'adsorbimento all'interno di un impianto di trattamento delle acque reflue esistente per rimuovere e recuperare l'ammonio (NH4) dalle acque reflue urbane di scarico secondarie (MWW). Il processo proposto è stato caratterizzato da 4 aspetti importanti: I) Impiego di una resina a scambio ionico disponibile in commercio; II) Impiego di una zeolite naturale a basso costo e selettiva per il recupero dell'ammonio. III) Studio approfondito sulla selettività e la capacità di adsorbimento dei materiali adsorbenti in esame. IV) Realizzazione di un test di breakthrough completo per la rimozione dell'ammonio in modo continuo. V) Rigenerazione del materiale adsorbente e recupero dell'ammonio tramite test di desorbimento. I test su scala di laboratorio, che includevano due colonne in PVC per la rimozione di N-NH4 impaccate con la resine polimerica Amberlyst 15WET (disponibile in commercio) e la zeolite naturale (Cabasite-Phillipsite), sono andati con successo dopo 1 ciclo di adsorbimento/desorbimento trattando 40L di MWW effettivi (concentrazione media in ingresso di 45±1 mgNH4-N/L). La concentrazione di ammonio alla fine del desorbimento per la zeolite naturale era il doppio di quella di Amberlyst 15wet dimostrando che questa resina è una resina promettente nel processo di recupero dell'ammonio e sono necessari ulteriori sviluppi e ottimizzazioni.

Valutazione degli impatti ambientali di un processo biobased nella produzione di acido crotonico

L’utilizzo di biomasse come fonte di chemicals nell’industria chimica mira a rendere più sostenibili i processi industriali e i materiali prodotti. In particolare, l’acido crotonico (AC), impiegato come building block nella produzione di vernici e rivestimenti, è prodotto tradizionalmente da fonti fossili. La domanda globale ammonta a circa 1000 tonnellate ed è in continuo aumento, rendendo prioritaria l’individuazione di una sintesi alternativa e sostenibile. In questo studio, l’analisi del ciclo di vita (life cycle assessment, LCA) è stata applicata per stimare la carbon footprint e la domanda cumulativa di energia relative ad una sintesi innovativa dell’AC, basata sulla conversione termica di un precursore derivato da biomasse di scarto. In particolare, il processo prevede l’applicazione di un trattamento termochimico a poli-idrossi-butirrati (PHB) prodotti da colture batteriche miste a valle del processo B-PLAS. Sono stati modellati due scenari comparativi con l’obiettivo di (i) valutare la sostenibilità ambientale della sintesi alternativa nella tecnologia B-PLAS, considerando una condizione “base” di processo (con un contenuto di PHB pari al 30% nello slurry in ingresso al processo) e una “ottimale” (con un contenuto di PHB pari al 60%); (ii) confrontare gli impatti ambientali del processo di sintesi alternativo per entrambi gli scenari con quelli di sintesi dell’AC da fonti fossili. I risultati dell’LCA mostrano che nel processo B-PLAS, giunti alla produzione dello slurry (fango) arricchito in PHB, si possono avere due strade equivalenti estraendo i PHB o convertendoli in AC con una lieve preferenza per il processo estrattivo (0.71MJ/kgslurry vs 1.11MJ/kgslurry) nella condizione di base e (0.69MJ/kgslurry vs 1.17MJ/kgslurry) in quella ottimale. Estendendo la comparazione alla produzione dell’AC da fonti fossili, quello bioderivato comporta un impatto ambientale ampiamente inferiore, stimato in 159.6 MJ/kgAC e 204.6 MJ/kgAC per gli scenari “base” e “ottimale”.

Modellazione del trattamento a fanghi attivi del depuratore Ponte Metauro di Fano ed indicazioni gestionali per la riduzione dei consumi di energia.

Lo scopo del presente studio è quello di modellare il processo di trattamento delle acque reflue dell’impianto a fanghi attivi Ponte Metauro di Fano. In particolare, si è posta l’attenzione sulle fasi di trattamento secondario, agendo sui parametri che regolano tali processi e simulando il funzionamento ottimale dell’impianto attraverso il programma di modellazione STOAT. Oltre a modellare l’impianto, è stato anche fatto uno studio per cercare di risparmiare i consumi di energia e reagenti. La prima fase quindi è stata incentrata sulla modellazione dell’impianto, soprattutto per i trattamenti secondari, con varie simulazioni per poi arrivare ad avere una rappresentazione corretta del fenomeno che avviene nella realtà. La seconda fase invece è stata incentrata sulla ricerca di un possibile risparmio energetico per ottimizzare i consumi di energia e reagenti all’interno delle vasche.

Progetto e implementazione di circuiti a switch sincronizzato per la conversione di micropotenze da trasduttori piezoelettrici

Una delle principali caratteristiche dei trasduttori per energy harvesting piezoelettrici è il fatto che la loro impedenza d'uscita è principalmente capacitiva. Questo consente di elaborare schemi di conversione dell'energia basati su circuiti risonanti attivati in modo sincrono con le vibrazioni, che risultano in grado di aumentare notevolmente la potenza di uscita rispetto alle comuni interfacce passive. Questa tesi si è posta come obiettivo la progettazione e implementazione di un circuito per energy harvesting da vibrazioni basato sulla tecnica Synchronized Switch Harvesting on Inductor (SSHI) che garantisse un'elevata efficienza di conversione. Dovendo gestire potenze in ingresso tipicamente di debole entità, l'architettura proposta è stata ottimizzata per minimizzare la dissipazione di potenza interna al convertitore. Il circuito proposto è stato infine validato sperimentalmente tramite allestimento di un setup di misura dedicato.

Promuovere l'autovalutazione e il miglioramento delle strategie di apprendimento degli studenti internazionali cinesi: una ricerca empirica presso l'Università di Bologna

Nel quadro di alcuni filoni di ricerca inerenti alla promozione delle strategie cognitive, metacognitive e motivazionali degli studenti per una migliore efficacia del loro apprendimento (anche a livello universitario), il contributo presenta l’impianto e gli esiti di una ricerca empirica volta a indagare le percezioni degli studenti internazionali cinesi sulla loro esperienza universitaria in Italia, con un focus sulle eventuali difficoltà nell’adozione di un approccio autonomo e strategico all’apprendimento, e a sperimentare un intervento formativo messo a punto per sostenerli nel miglioramento del loro approccio all’apprendimento attraverso l’uso di procedure sistematiche di autoriflessione, self-recording e autovalutazione supportate dalla ricercatrice. Il disegno della ricerca è un quasi-esperimento a due gruppi con pre-test e post-test. Il campione è costituito da 60 studenti di diversi Dipartimenti dell’Università di Bologna che hanno partecipato volontariamente alla ricerca, di cui 30 hanno preso parte all’intervento. Gli strumenti utilizzati per la misurazione in ingresso e in uscita sono il Questionario sui Processi di Apprendimento e alcune scale del Questionario sulle Strategie di Apprendimento. Agli studenti del gruppo sperimentale è stato somministrato anche un questionario finale di valutazione del percorso formativo. Sono state inoltre effettuate alcune interviste a distanza di tempo come fase di follow up. Gli studenti in entrambi i gruppi affrontano sfide relative all’ambientamento nel contesto universitario italiano, con particolare riferimento a difficoltà linguistiche e di integrazione sociale. I principali fattori influenti sull’efficacia dello studio includono le barriere linguistiche, la gestione del tempo, la consapevolezza e l’uso delle strategie di studio. Nonostante emerga un miglioramento del gruppo sperimentale tra pre e post test, le differenze tra i due gruppi non sono risultate statisticamente significative. Tuttavia, i feedback forniti dagli studenti nel questionario di soddisfazione per il percorso formativo e nelle interviste post-intervento evidenziano percezioni positive sull’utilità del percorso, con benefici relativi al loro approccio allo studio.

Caratterizzazione della pericolosità alluvionale nelle aree di pianura attraverso l'analisi di indici morfometrici

la gestione ottimale del rischio alluvionale è un ambito di ricerca di grande rilevanza a livello nazionale e internazionale. Con riferimento alle alluvioni, infatti, sono state proposte in letteratura diverse tecniche innovative per la previsione e la mitigazione del rischio alluvionale. Tra di esse spiccano le tecniche speditive di mappatura della pericolosità idraulica ottenute attraverso l'utilizzo di descrittori geomorfici. Detti approcci derivano descrittori morfologici analizzando modelli digitali delle quote del terreno (DEM) ed in base ad essi forniscono una mappatura di pericolosità idraulica da alluvione. Che gioco svolge la risoluzione del DEM di partenza sull'accuratezza dei prodotti finali? La combinazione di DEM a diversa risoluzione migliora le prestazioni dei singoli dataset? Il lavoro di Tesi analizza l'importanza della risoluzione del DEM di partenza sull'accuratezza delle mappature conseguibili, utilizzando come riferimento l'area del bacino del Samoggia con chiusura a Calcara. I risultati ottenuti mostrano come: (a) le caratteristiche dei descrittori geomorfici considerati sembrano essere influenzate significativamente da quelle del DEM utilizzato come dato in ingresso e (b) DEM ad elevata risoluzione portino ad un aumento nell'accuratezza della mappatura di pericolosità.

Raffinamento della posizione ottenuta da un GPS tramite misure di fase

Questa tesi elabora un sistema di filtraggio delle pseudodistanze calcolate da un ricevitore GPS, al fine di ottenere un miglior posizionamento. Infatti, dopo aver analizzato e quindi filtrato i dati in ingresso tramite l’impiego delle misure di fase, si può ottenere una precisione nell’ordine dei centimetri. La tecnica di filtraggio prende il nome di carrier-smoothing e permette di selezionare le misure di pseudorange mediante le misure di ADR (Accumulated Delta Range) grazie all’applicazione di una struttura a filtro complementare. Per svolgere questo tipo di lavoro, non è stato necessario l’utilizzo di un ricevitore GPS fisico, ma è stato realizzato, nell’ambiente Matlab/Simulink, un simulatore GNSS (Global Navigation Satellite System) che sostanzialmente emula quello che farebbe un ricevitore.

Implementazione e caratterizzazione di PLL digitali per doppler tracking di sonde deep space

I Phase-Locked Loops sono circuiti ancora oggi utilizzati per la generazione di segnali coerenti in frequenza e in fase con i segnali in ingresso, motivo per cui sono uno degli strumenti della radio scienza per la ricostruzione dei segnali scambiati con le sonde e nascosti dal rumore accumulato nel tragitto che separa le sonde stesse dalle stazioni di tracking a terra. Questa tesi illustra l'implementazione di un PLL digitale linearizzato in Matlab e Simulink in una nuova veste rispetto al modello implementato durante l'attività di tirocinio curricolare, al fine di migliorarne le prestazioni per bassi carrier-to-noise density ratios. Il capitolo 1 si compone di due parti: la prima introduce all'ambito nel quale si inserisce il lavoro proposto, ossia la determinazione d'orbita; la seconda illustra i fondamenti della teoria dei segnali. Il capitolo 2 è incentrato sull'analisi dei Phase-Locked Loops, partendo da un'introduzione teorica e approdando all'implementazione di un modello in Simulink. Il capitolo 3, infine, mostra i risultati dell'applicazione del modello implementato in Simulink nell'analisi dei segnali di una missione realmente svolta.